采光口设计对山东无棣县游泳馆天然采光的影响

郭娟利，冯宏欣，王杰汇，徐 贺

(天津大学建筑学院 天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

引言

体育类建筑具有投资大、运维成本高、空间大、不可控性、能耗高的特点。传统体育类建筑的设计往往更注重于美学和结构学方面的研究，建筑师往往舍弃天然采光而直接用人工照明来解决高要求的体育类建筑照明问题。体育类场馆光环境设计中，通过对天然采光的合理控制，可以有效节约能源并且更好地发挥场馆的使用功能及作用[1]。对于游泳馆而言，其对光环境的要求较为特殊和严苛，这也是游泳馆的功能所决定的。

山东省无棣县全民活动中心游泳馆位于山东省滨州市无棣县新城景观轴线端头，游泳馆建筑面积为12 925 m2，建筑基底面积为6 380 m2，建筑地上五层，现浇钢筋混凝土框架结构，建筑高度为22.55 m。游泳馆内布置一个尺寸为50 m×21 m×2 m的比赛池和一个尺寸为25 m×15 m×2 m的练习池，另外布置武术、跆拳道、体操训练室和健身活动场地。本项目的天然采光形式为顶部采光为主，侧高窗采光为辅，但屋顶采用何种采光形式既能满足天然采光标准要求，又可以避免眩光等不利因素，需要进行更细致的优化模拟及分析。本文利用天然采光模拟软件VELUX对不同天然采光形式进行模拟分析对比，并提出优化设计方案。

1 游泳馆天然采光要求

游泳馆作为一种特殊的公共建筑，其光环境设计优劣和运动员水平的发挥、裁判判断的准确性、观众观赛的舒适性以及电视转播的质量都息息相关[2]。有研究表明运行员长时间在全部使用人工照明的室内光环境中比赛、训练，容易由视觉疲劳衍生出倦怠情绪。而在由自然光构成的室内光环境中，运动员会感到兴奋与刺激，有利于满足其比赛竞技的心理状态[3]。因此，本项目采用人工照明和天然采光相结合的方式，通过天然采光的合理设计最大限度的满足室内光环境要求，满足该游泳馆日常以训练、娱乐为主的功能要求，同时在比赛和夜晚、阴天等天然采光较弱期间辅以人工照明协同工作，将天然采光的舒适性和节能性优势最大化。

由于自然光本身具有良好的显色性等特征，因此对于游泳馆天然采光来说，要着重处理好的是采光系数标准，采光照度标准，均匀度标准以及避免眩光的产生[4]。

1.1 采光系数及照度标准

采光系数和室内自然光照度的标准值常作为评价室内采光环境的基础指标。GB 50033—2013《建筑采光设计标准》4.0.14条规定，体育类建筑场地在主要用于训练或娱乐活动的情况下，顶部采光系数标准值为1%，室内天然光照度标准值为150 lx，如表1所示。综上所述，作为体育类建筑的游泳馆，在满足日常训练和娱乐功能的需求下，场馆内水面天然光照度需达到150 lx，采光系数需达到1%。

表1 体育建筑的采光标准值

注：采光主要用于训练或娱乐活动

1.2 采光均匀度标准

采光均匀度是用来揭示场馆内照度分布情况的物理量，是衡量室内光环境效果的又一关键指标[4]。对游泳馆场地来说，要防止出现较大的明暗对比，若泳池场地均匀度较差，在馆内活动的人的瞳孔会随着明暗变化不断变大变小，引起视觉疲劳，影响训练、娱乐和比赛的效果。采光均匀度有两种表示方式：

(1)

(2)

其中Cmin为最小采光系数，Cmax为最大采光系数，Cave为平均采光系数。

JGJ 153—2016《体育场馆照明设计及检测标准》4.2.2条将游泳馆的场地照明设计设定为一套标准，如表2所示，可知要满足游泳馆日常健身、训练及娱乐的功能，采光均匀度U2应不小于0.3。

1.3 合理的眩光控制措施

眩光就是视野中由于亮度的分布或亮度范围不适宜，或存在着极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标能力的视觉现象。直射光源在水池附近会产生严重的水面镜面反射和池底的反射，易产生眩光，极大地影响运动员和观众的视觉能力和视觉舒适性。如图1所示，光幕区的亮度远远高出水面的平均亮度，严重影响了对水中情况的观看。即使通过安装直筒采光窗等方式可以避免直射光直接照入室内，但由于天气等原因，也只能在一定程度上限制直射光照入室内，仍易造成自然光直接照射易形成眩光，如图2所示。因此，水面眩光的控制是游泳馆室内采光设计的重要部分，水面眩光无法完全消除，但可以通过合理的采光方式选择及采光口设计尽量减少其带来的不利影响。

表2 游泳馆场地照明标准值

图1 游泳馆水面眩光Fig.1 Water glare in swimming pool

图2 直筒采光窗采光效果图Fig.2 Daylighting effect of straight tube window

1.4 VELUX模拟软件的适用性

VELUX DAYLIGHT VISUALIZER是一款兼具准确性和迅捷性的可视化建筑天然采光分析软件，可以帮助设计人员在建筑设计之前，通过准确地模拟采光量，对天然采光效果及空间效果有一个正确的、直观的了解，模拟天然采光照明的最大误差低于5.13%，平均误差低于1.29%[6]。软件和SKETCH-UP有良好的对接性，可提供不同的窗体布置、玻璃性能、室内墙面、天空光量、地理位置、建筑方位等等不同条件下的建筑天然采光分析比较，便于设计者找到最理想的采光方案。

2 屋顶采光方式的选择

通常游泳馆跨度较大，复杂的屋面结构对天然采光有较大影响，加重天然采光的不稳定性和不均匀性，易产生不必要的光污染，为减少结构对采光的不利影响，本项目的游泳馆顶部采用变截面钢筋混凝土梁结构，如图3所示。

图3 游泳馆内变截面梁Fig.3 Beam with variable cross section in the Swimming Pool

游泳馆采光方式的选用是其采光设计的首要问题。侧窗采光具有设计简单、施工简便、构造和结构易处理的特点[5]，但由于游泳馆进深较大，仅靠侧窗采光会造成场馆内远窗点照度偏低，导致室内采光不均匀，同时侧窗采光若安装角度与人视线角度较小还会产生直接眩光。相比较而言，利用顶部采光在室内照度方面要比相同面积利用侧窗采光高出2～5倍[7]，同时其在采光均匀度、眩光控制和阴影控制上性能也更加优异，但顶部采光也存在构造、设计较复杂的特点。因此，基于水面眩光对游泳馆使用有较大影响，本项目以顶部采光为主，主要依靠顶部采光达到其采光照度和均匀性，并辅以少量高侧窗进行采光，优化建筑立面美学特性，使二者的优点集中发挥，取长补短。而作为本项目的主要采光方式，屋顶采光口的选择和设计是本项目的难点也是本文研究的重点。

2.1 顶部采光形式的比选

建筑顶部采光通常分为天窗采光和利用导光管、光导纤维等天然采光新技术，如表3所示。根据使用要求不同，产生了各种不同的天窗形式，常用的有平天窗、矩形天窗、锯齿形天窗等形式。其中平天窗虽然比同样面积的其他天窗采光效率高，但易引起游泳馆建筑最应避免的眩光问题；而相比与矩形天窗，锯齿形天窗可以把光线反射到背对窗户的室内墙壁上，消除直射光产生的眩光，同时，锯齿形天窗的采光效率比矩形天窗高15%～20%[8]。作为天然采光新技术，导光管、光导纤维、采光搁板和导光棱镜窗均具有减少眩光，提高室内采光均匀度的优势。对于游泳馆而言，采光搁板不适合于进深较大建筑，导光棱镜窗的使用会给运动员带来心理不良影响，山东无棣地区属于Ⅳ类光气候分区，具有较丰富的天然光，因此导光管和光导纤维相比具有更高的光通量。综上所述，本论文选择各顶部采光口类型中适合该地区游泳馆的锯齿形天窗和导光管系统作为模拟分析对象。

表3 不同天窗形式对比

续表3

2.2 锯齿形天窗采光

1)天窗面积的确定。依据中国光气候分区图可以看出山东省滨州市无棣县属于Ⅳ区。GB 50033—2013《建筑采光设计标准》中6.0.1条规定，在建筑方案设计时，对Ⅲ类光气候区的采光，顶部采光平天窗窗地面积比为1/13，锯齿形天窗和矩形天窗可分别按平天窗的1.5倍和2倍窗地面积比进行估算，且Ⅳ类气候区的窗地面积比应乘以该地区相应的光气候系数K=1.10。以此为依据计算该游泳馆比赛厅锯齿形天窗所需面积约为233 m2。

2)模型及参数设置。锯齿形天窗布置方向随建筑形体朝东南，并采用随结构逐跨布置的方式以满足更好的采光均匀性和建筑韵律。部分光线射入后，在天窗的反射面形成二次反射，将光线均匀分布到室内。建筑模型如图4所示。将模型导入VELUX采光模拟软件，更改地理位置信息为山东无棣，东经117.36°，北纬37.75°，建筑朝向为北偏西25°。利用VELUX天然采光模拟软件对建筑参数进行设置，水池设为透射率为0.82的散射体、水下底面设为反射率为0.732、粗糙度为0.04的浅蓝色石材，选取天窗角度、反射面内饰层材料及其粗糙度3个参数进行变化对比研究，分析其对游泳馆采光系数、照度、均匀度和眩光等的影响变化趋势，对屋顶天窗进行合理的参数选择与优化设计，内饰面参数设置如图5所示。

图4 锯齿形天窗模型Fig.4 Model of saw-toothed skylight

图5 内饰层参数修改界面Fig.5 Interface of modifying Interior layer’s parameters

3)天窗角度优化设计。锯齿形天窗角度不同，对采光照度及均匀度均有不同程度的影响。选用30°、40°、45°、50°和60°五种不同角度相同面积的锯齿形天窗进行模拟对比，结果如表4所示。由结果可知,随着天窗角度的增大,室内采光系数也在增大,采光均匀度在下降,其中30°天窗冬至日阴天照度不满足顶部采光照度标准值要求，其余方案40°采光均匀度最好，又可以满足照度要求,因此选取40°锯齿形天窗。

表4 天窗不同角度的采光对比

4)天窗内饰层优化设计。锯齿形天窗具有把部分直射光通过内饰面反射进入室内的特点，因此内饰层的材料选择和粗糙度设置对采光照度和均匀度均有影响。本项目选用40°相同面积锯齿形天窗,选择五种不同的内饰层材料和粗糙度分别做模拟对比分析，模拟结果如表5所示。通过对比得知，改变内饰层的材料，只有白色乳胶漆满足顶部采光的照度要求，而对于白色乳胶漆的粗糙度选择方面，随粗糙度增加，采光系数平均值和照度平均值逐渐减小，采光均匀度不断增加。但粗糙度增大到0.40时，平均照度水平不能满足建筑采光标准，而在满足标准的前提下，粗糙度为0.30时采光最均匀。因此最终选用粗糙度为0.30的白色乳胶漆，模拟结果如图6所示，场馆地面平均采光系数为3.1，夏至日晴天平均照度为308.7 lx，冬至日阴天平均照度为150.9 lx，采光均匀度为0.32，全年满足体育类建筑顶部采光标准要求，满足该场馆日常训练、娱乐的采光要求。

表5 天窗不同内饰层的采光对比

图6 锯齿形天窗光环境模拟结果Fig.6 Simulation results of the plan of saw-toothed skylight

2.3 导光管采光

2.3.1 模型及参数设置

导光管照明系统是通过采光装置采集自然光，将光线导入导光管内部，通过发射材料在导光管内进行传输并由底部的漫射材料将光线均匀的照射到室内，其将直射光转为漫射光传递的特点符合游泳馆比赛厅避免眩光的采光要求。其主要由采光罩、导光管、漫射器及调光系统组成[9]。本项目在SEKETCH-UP软件中对导光管进行建模，导光管管径为750 mm，长度为1.8 m，距地高度为10.05 m。设计方案分为4个每组、18组共72个和6个每组、18组共108个两种排布方式，如图7所示。在VELUX模拟软件中对各部件相应参数进行设置，透射率为0.98的集光器、发射率为0.99的金属内壁和散射率为0.8的漫射器，如图8所示。

2.3.2 导光管方案模拟对比

对两组导光管方案水面天然采光系数、冬至日阴天及夏至日晴天照度分别进行模拟分析，如图9所示，方案一夏至日晴天平均照度为276.4 lx，冬至日阴天平均照度为136.9 lx，采光系数平均值为2.7%，采光均匀度为0.34；方案二夏至日晴天平均照度为280.6 lx，冬至日阴天平均照度为137.6 lx，采光系数平均值为2.7%，采光均匀度为0.38。由此得出，采用导光管途径采光较为均匀、且随着导光管密度的提升均匀度更佳，但采光系数照度提升不明显。

图7 两种不同的导光管排布方案Fig.7 Two different arrangement schemes of light guide tube

图8 导光管系统及参数设置Fig.8 Light guide tube system and parameter setting

图9 导光管方案的照度、采光系数模拟结果Fig.9 Simulation results of illuminance and daylight factor of light guide tube

2.4 眩光分析

本项目侧窗仅采用少量高侧窗辅助采光，且一层玻璃幕墙带有遮阳百叶，因此避免了直接眩光，本文主要分析其水面间接眩光，眩光分析首先选取其最不利时间点。对于朝向角度为南偏西65°的锯齿形天窗，选取一年12个月中午12:00进行室内亮度模拟分析。因太阳高度角较高，夏季通过天窗进入室内的直射光较少，无眩光影响；而冬季太阳高度角较低，进入室内的直射光较多，如图10所示。其水面亮度最大处亮度为332.8 cd/m2，其周边水面亮度为60 cd/m2左右，无明显眩光影响；对于导光管方案二，其最不利时间点为夏至日中午12:00，模拟结果如图11所示。其水面亮度最大处亮度为210.8 cd/m2，其周边水面亮度为84 cd/m2左右，无明显眩光影响。基于模拟分析得知，水面间接眩光通过带有粗糙内饰面的锯齿形天窗或导光管系统两种采光手段均可有效避免。

图10 锯齿形天窗冬至日12:00室内亮度模拟结果Fig.10 Results of luminance simulation of saw-toothed skylight at 12:00 in the winter solstice

图11 导光管系统夏至日12:00室内亮度模拟结果Fig.11 Results of luminance simulation of light guide tube at 12:00 in the summer solstice

2.5 对比分析

从游泳馆的天然采光要求出发，对锯齿形天窗和两种导光管方案进行对比，比较不同方案的室内照度、采光系数、采光均匀度等指标，如表6所示。由表6可知，导光管方案的采光更加均匀，且防眩光效果更佳，但综合成本造价考虑，要达到一定照度成本太高，而锯齿形天窗方案采光系数、照度和采光均匀度均可满足要求，同时无眩光影响，因此本游泳馆最终采用锯齿形天窗方案。

表6 采光方式对比

3 结束语

将天然光应用于建筑工程具有节约能源的重要意义[10]。对于游泳馆场地的光环境设计的特殊性，天然采光口的设计尤为重要，通过本文模拟分析可知，在以无棣县为例的Ⅳ类光气候地区，游泳馆采用天然采光方式时布置40°天窗角度的锯齿形天窗，且带有粗糙度为0.30的白色乳胶漆内饰层是较适宜且经济的方式。同时我们认为，其他地区游泳馆也可采用此种分析模式对采光口的模式进行优化设计。